Как удержать Солнце: материалы для термоядерных реакторов, и причем здесь пыль

Ионизованные частицы в плазме испускают так называемое тормозное излучение, интенсивность которого пропорциональна заряду частицы в квадрате. Термоядерная плазма в идеальном случае содержит два изотопа водорода: дейтерий и тритий, у каждого из которых всего лишь по одному протону в ядре. В случае попадания в плазму, например, углерода с 6 протонами в ядре и полной его ионизации, тормозное излучение от такого иона будет в 36 раз выше, чем от ядра дейтерия. Таким образом, при загрязнении плазмы атомами первой стенки сильно увеличивается общее тормозное излучение из плазмы, которое «выкачивает» из нее энергию, и, соответственно, не позволяет ей набрать высокую, необходимую для термоядерных реакций, температуру.

Первым номером в таблице Менделеева идет водород. Это газ, или в крайнем случае жидкость, так что стенку токамака из него не сделаешь. Номер два – гелий, тоже газ.

Номер три – литий, металл, но очень особенный металл. Во-первых, литий очень мягок, его можно резать обычным ножом, поэтому жесткие элементы конструкции из него невозможно сделать. Во-вторых, литий становится жидким уже при 180 градусах Цельсия. В-третьих, литий крайне химически активен, работа с ним на воздухе затруднена. Тем не менее, благодаря своему низкому атомному номеру, литий все же используется в некоторых токамаках, причем именно в жидком виде. Жидким литием пропитывают специальные металлические капиллярно-пористые структуры, образуя на их поверхности тонкую пленку жидкости. Работа с жидким литием крайне сложна, поэтому лишь штучные токамаки в мире проводят такие исследования. В России работы с жидким литием ведутся на токамаке Т-11М. В НИЯУ МИФИ на учебном токамаке «МИФИСТ» также планируются эксперименты с жидким литием.

Номер четыре – бериллий. Это твердый и хрупкий металл, обладающий большой теплопроводностью и высокой температурой плавления. Именно поэтому он очень хорошо подходит в качестве материала облицовки первой стенки токамака. И действительно будет использоваться в таком качестве в самом большом строящемся токамаке – международном термоядерном реакторе ИТЭР. Кстати, для этого потребуется существенная часть всего производимого в мире бериллия. У бериллия есть очень серьезный недостаток, он крайне вреден для людей, является сильным канцерогеном. Поэтому работа с бериллием требует серьезных мер безопасности, контроля и учета.

Номер пять – бор. Хрупкий полуметалл, обладает плохой теплопроводностью. Массивные изделия из чистого бора не изготавливают. Однако он применяется в термоядерных реакторах в виде тонкого покрытия. Процесс нанесения тонкого покрытия бора на элементы первой стенки называется боронизацией и часто используется в современных токамаках.

Номер шесть – углерод. Из углерода и его композитов можно изготавливать массивные детали, поэтому углеродная облицовка внутренних стенок токамаков широко применяется. Углерод выдерживает высокие температуры и обладает хорошей теплопроводностью. Недостатком углерода и его композитов является их высокая способность к захвату и удержанию изотопов водорода, что при работе с радиоактивным тритием может создать дополнительные проблемы, связанные с его накоплением в первой стенке.

Элементы с атомными номерами 7, 8, 9 и 10 – газы: азот, кислород, фтор и неон, так что для использования на первой стенке токамака они не представляют интереса. Как видим, в токамаках используются все самые легкие элементы, которые хоть как-то можно использовать для облицовки первой стенки. Других вариантов природа нам не предоставила.

Однако в токамаках широко используется еще один элемент таблицы Менделеева – вольфрам, обладающий атомным номером 74. Несмотря на столь высокий атомный номер, преимущество вольфрама в том, что это самый тугоплавкий металл, его температура плавления 3422 градуса Цельсия, поэтому он используется в самом термически нагруженном месте токамака – диверторе.

Для того чтобы предотвратить попадание материала стенок в плазменный шнур, магнитная конфигурация в современных токамаках устроена таким образом, что внешний – самый «грязный» слой плазмы «соскребается» на специальные пластины в нижней части токамака – дивертор. Этот слой плазмы так и называется – scrape-off layer, т.е. соскребаемый слой. Удаляя внешний слой плазмы удаляются и все атомы материалов первой стенки, которые иначе могли бы попасть в центр плазменного шнура и привести к высокому тормозному излучению из плазмы, как было описано выше. Пластины дивертора – самое термически нагруженное место токамака. Множество методов применяется чтобы снизить тепловую нагрузку, приходящую на них, и тем не менее только вольфрам способен выдержать ее.

Несмотря на то, что пластины дивертора активно охлаждаются, они могут в процессе работы токамака разогреваться до белого каления. Циклический нагрев до высоких температур и последующее охлаждение вполне может привести к их растрескиванию с образованием микрочастиц вольфрама – металлической пыли. Но это не единственный источник микрочастиц в токамаке.